编程语言的内存布局是什么样的?

java发展历史上出现过很多垃圾回收器，各有各的适应场景，不仅仅是开发，作为运维也需要对这方面有一定的掌握，今天简单介绍一下java的内存布局以及各种垃圾回收器的原理。

JVM内存布局

JVM从概念上大致分为6个(逻辑)区域：

这6块区域按是否被线程共享，可以分为两大类：

一类是每个线程所独享的：

• PC Register：也称为程序计数器， 记录每个线程当前执行的指令信。eg：当前执行到哪一条指令，下一条该取哪条指令。
• JVM Stack：也称为虚拟机栈，记录每个栈帧(Frame)中的局部变量、方法返回地址等。
• Native Method Stack：本地(原生)方法栈，顾名思义就是调用操作系统原生本地方法时，所需要的内存区域。

上述3类区域，生命周期与Thread相同，即：线程创建时，相应的区域分配内存，线程销毁时，释放相应内存。

另一类是所有线程共享的：

• Heap：即鼎鼎大名的堆内存区，也是GC垃圾回收的主站场，用于存放类的实例对象及Arrays实例等。
• Method Area：方法区，主要存放类结构、类成员定义，static静态成员等。
• Runtime Constant Pool：运行时常量池，比如：字符串，int -128~127范围的值等，它是Method Area中的一部分。

Heap、Method Area 都是在虚拟机启动时创建，虚拟机退出时释放。

总之，程序运行时，内存中的信息大致分为两类，一是跟程序执行逻辑相关的指令数据，这类数据通常不大，而且生命周期短;一是跟对象实例相关的数据，这类数据可能会很大，而且可以被多个线程长时间内反复共用，比如字符串常量、缓存对象这类。

将这两类特点不同的数据分开管理，体现了软件设计上“模块隔离”的思想。好比我们通常会把后端service与前端website解耦类似，也更便于内存管理。

GC垃圾回收原理

1. 哪些内存区域需要GC ?

thread独享的区域：PC Regiester、JVM Stack、Native Method Stack，其生命周期都与线程相同(即：与线程共生死)，所以无需GC。线程共享的Heap区、Method Area则是GC关注的重点对象。

2. 常用的GC算法

(1) mark-sweep 标记清除法

如上图，黑色区域表示待清理的垃圾对象，标记出来后直接清空。该方法简单快速，但是缺点也很明显，会产生很多内存碎片。

(2) mark-copy 标记复制法

思路也很简单，将内存对半分，总是保留一块空着(上图中的右侧)，将左侧存活的对象(浅灰色区域)复制到右侧，然后左侧全部清空。避免了内存碎片问题，但是内存浪费很严重，相当于只能使用50%的内存。

(3) mark-compact 标记-整理(也称标记-压缩)法

避免了上述两种算法的缺点，将垃圾对象清理掉后，同时将剩下的存活对象进行整理挪动(类似于Windows的磁盘碎片整理)，保证它们占用的空间连续，这样就避免了内存碎片问题，但是整理过程也会降低GC的效率。

(4) generation-collect 分代收集算法

上述三种算法，每种都有各自的优缺点，都不完美。在现代JVM中，往往是综合使用的，经过大量实际分析，发现内存中的对象，大致可以分为两类：有些生命周期很短，比如一些局部变量/临时对象，而另一些则会存活很久，典型的比如websocket长连接中的connection对象，如下图：

纵向y轴可以理解分配内存的字节数，横向x轴理解为随着时间流逝(伴随着GC)，可以发现大部分对象其实相当短命，很少有对象能在GC后活下来。因此诞生了分代的思想，以Hotspot为例(JDK 7)：

将内存分成了三大块：年青代(Young Genaration)，老年代(Old Generation),永久代(Permanent Generation)，其中Young Genaration更是又细为分eden，S0，S1三个区。

结合我们经常使用的一些jvm调优参数后，一些参数能影响的各区域内存大小值，示意图如下：

GC主要过程

下图引自阿里出品的《码出高效-Java开发手册》一书，梳理了GC的主要过程。